Inhibitory effects of YCW and MOS from Saccharomyces cerevisiae on Escherichia coli and Salmonella pullorum adhesion to Caco-2 cells

Abstract

BACKGROUND: For many years, yeast cell walls (YCW) and mannan oligosaccharides (MOS) have been used as alternatives to antibiotics and health feed additives to enhance the growth performance and health of food animals. In the present study, the inhibitory effects of YCW and MOS on the adhesion of enteropathogenic bacteria to intestinal epithelial cells were tested.

METHODS: YCW and MOS were extracted from Saccharomyces cerevisiae (XM 0315), and the morphology of YCW and MOS bound to pathogenic bacteria was observed by scanning electron microscopy (SEM). Real-time fluorescent quantitative PCR was used to quantitatively analyze the effects of YCW and MOS on the adhesion ofEscherichia coli (CVCC3367) and Salmonella pullorum (CVCC520) to Caco-2 cells.

RESULTS: The results showed that YCW inhibited E. coli and S. pullorum binding to Caco-2 cells by 95% and 74%, respectively, whereas MOS prevented E. coli and S. pullorum binding by 67% and 50%, respectively.

CONCLUSIONS: These data suggest that YCW has a stronger ability than MOS to inhibit pathogenic bacteria from adhering to Caco-2 cellsin vitro.

Key words： YCW; MOS; Escherichia coli; Salmonella pullorum; Caco-2 cells

Compliance with ethics guidelines

Xiaoqing Xu, Yu Qiao, Qing Peng, Long Gao and Bo Shi declare that they have no conflict of interest. This article does not contain any studies with human or animal subjects performed by any of the authors.

References

1 Baharaeen S, Vishniac  H S (1982). A fixation method for visualization of yeast ultrastructure in the electron microscope. Mycopathologia, 77(1): 19–22160;

PMID

2 Bauer C, Herzog  V, Bauer M F  (2001). Improved technique for electron microscope visualization of yeast membrane structure. Microsc Microanal, 7(6): 530–534

PMID

3 Baurhoo B, Letellier  A, Zhao X ,  Ruiz-Feria C A  (2007). Cecal populations of lactobacilli and bifidobacteria and Escherichia coli populations after in vivo Escherichia coli challenge in birds fed diets with purified lignin or mannanoligosaccharides. Poult Sci, 86(12): 2509–2516

PMID

4 Becker P M, Galletti  S, Roubos-van den Hil  P J, van Wikselaar  P G (2007). Validation of growth as measurand for bacterial adhesion to food and feed ingredients. J Appl Microbiol, 103(6): 2686–2696

PMID

5 Bouckaert J, Mackenzie  J, de Paz J L ,  Chipwaza B ,  Choudhury D ,  Zavialov A ,  Mannerstedt K ,  Anderson J ,  Piérard D ,  Wyns L, Seeberger  P H, Oscarson  S, De Greve H ,  Knight S D  (2006). The affinity of the FimH fimbrial adhesin is receptor-driven and quasi-independent of Escherichia coli pathotypes. Mol Microbiol, 61(6): 1556–1568160;

PMID

6 Bray D (2000). Critical Point Drying of Biological Specimens for Scanning Electron Microscopy, Humana Press, 235–243

7 Broadway P R, Carroll  J A, Sanchez  N C (2015). Live yeast and yeast cell wall supplements enhance immune function and performance in food-producing livestock: A review (†,)(‡). Microorganisms, 3(3): 417–427

PMID

8 Bychkov A L, Korolev  K G, Lomovsky  O I (2010). Obtaining mannanoligosaccharide preparations by means of the mechanoenzymatic hydrolysis of yeast biomass. Appl Biochem Biotechnol, 162(7): 2008–2014

PMID

9 Candela M, Seibold  G, Vitali B ,  Lachenmaier S ,  Eikmanns B J ,  Brigidi P  (2005). Real-time PCR quantification of bacterial adhesion to Caco-2 cells: competition between bifidobacteria and enteropathogens. Res Microbiol, 156(8): 887–895

PMID

10 Fernandez F, Hinton  M, Van Gils B  (2002). Dietary mannan-oligosaccharides and their effect on chicken caecal microflora in relation to Salmonella Enteritidis colonization. Avian Pathol, 31(1): 49–58

PMID

11 Ganan M, Carrascosa  A V, de Pascual-Teresa  S, Martinez-Rodriguez A J (2009). Inhibition by yeast-derived mannoproteins of adherence to and invasion of Caco-2 cells by Campylobacter jejuni. J Food Prot, 72(1): 55–59160;

PMID

12 Ganan M, Carrascosa  A V, de Pascual-Teresa  S, Martinez-Rodriguez A J (2012). Effect of mannoproteins on the growth, gastrointestinal viability, and adherence to Caco-2 cells of lactic acid bacteria. J Food Sci, 77(3): M176–M180160;

PMID

13 Ganner A, Stoiber  C, Uhlik J T ,  Dohnal I ,  Schatzmayr G  (2013). Quantitative evaluation of E. coli F4 and Salmonella Typhimurium binding capacity of yeast derivatives. AMB Express, 3(1): 62160;

PMID

14 Ganner A, Stoiber  C, Wieder D ,  Schatzmayr G  (2010). Quantitative in vitro assay to evaluate the capability of yeast cell wall fractions from Trichosporon mycotoxinivorans to selectively bind gram negative pathogens. J Microbiol Methods, 83(2): 168–174160;

PMID

15 Ganner A, Schatzmayr  G (2012) . Capability of yeast derivatives to adhere enteropathogenic bacteria and to modulate cells of the innate immune system. Appl Microbiol Biotechnol, 95(2): 289–97

16 Jones C H, Pinkner  J S, Roth  R, Heuser J ,  Nicholes A V ,  Abraham S N ,  Hultgren S J  (1995) . FimH adhesin of type 1 pili is assembled into a fibrillar tip structure in the Enterobacteriaceae. Proc Natl Acad Sci U S A, 92: 2081–2085

17 Kogan G, Kocher  A (2007). Role of yeast cell wall polysaccharides in pig nutrition and health protection. Livest Sci, 109(1-3): 161–165

18 Kogut M H (2000). Cytokines and prevention of infectious diseases in poultry: a review. Avian Pathol, 29: 395–404

19 Konkel M E, Corwin  M D, Joens  L A, Cieplak  W (1992). Factors that influence the interaction of Campylobacter jejuni with cultured mammalian cells. J Med Microbiol, 37(1): 30–37160;

PMID

20 Mirelman D, Altmann  G, Eshdat Y  (1980). Screening of bacterial isolates for mannose-specific lectin activity by agglutination of yeasts. J Clin Microbiol, 11(4): 328–331

PMID

21 Ofek I, Beachey  E H (1978). Mannose binding and epithelial cell adherence of Escherichia coli. Infect Immun, 22(1): 247–254

PMID

22 Ofek I, Hasty  D L, Sharon  N (2003). Anti-adhesion therapy of bacterial diseases: prospects and problems. FEMS Immunol Med Microbiol, 38(3): 181–191160;PMID:14522453

23 Ofek I, Mirelman  D, Sharon N (1977). Adherence of Escherichia coli to human mucosal cells mediated by mannose receptors. Nature, 265(5595): 623–625160;

PMID

24 Oyofo B A, Droleskey  R E, Norman  J O, Mollenhauer  H H, Ziprin  R L, Corrier  D E, DeLoach  J R (1989). Inhibition by mannose of in vitro colonization of chicken small intestine by Salmonella typhimurium. Poult Sci, 68(10): 1351–1356160;

PMID

25 Rodrigues D F ,  Elimelech M  (2009). Role of type 1 fimbriae and mannose in the development of Escherichia coli K12 biofilm:  from initial cell adhesion to biofilm formation. Biofouling, 25(5): 401–411160;

PMID

26 Rosen D A, Pinkner  J S, Walker  J N, Elam  J S, Jones  J M, Hultgren  S J (2008). Molecular variations in Klebsiella pneumoniae and Escherichia coli FimH affect function and pathogenesis in the urinary tract. Infect Immun, 76(7): 3346–3356

PMID

27 Sharon N, Ofek  I (2000). Safe as mother’s milk: carbohydrates as future anti-adhesion drugs for bacterial diseases. Glycoconj J, 17(7-9): 659–664

PMID

28 Shashidhara R G ,  Devegowda G  (2003). Effect of dietary mannan oligosaccharide on broiler breeder production traits and immunity. Poult Sci, 82(8): 1319–1325

PMID

29 Shoaf-Sweeney K D ,  Hutkins R W  (2009). Adherence, anti-adherence, and oligosaccharides preventing pathogens from sticking to the host. Adv Food Nutr Res, 55: 101–161

PMID

30 Spring P, Wenk  C, Dawson K A ,  Newman K E  (2000). The effects of dietary mannaoligosaccharides on cecal parameters and the concentrations of enteric bacteria in the ceca of salmonella-challenged broiler chicks. Poult Sci, 79(2): 205–211160;

PMID

31 Sweeney Shoaf K D ,  Hutkins R W  (2008). Anti‐Adherence, and Oligosaccharides: Preventing Pathogens from Sticking to the Host. Adv Food Nutr Res, 55: 101–161

32 Tiago F C P ,  Martins F S ,  Souza E L ,  Pimenta P F ,  Araujo H R ,  Castro I M ,  Brandão R L ,  Nicoli J R  (2012). Adhesion to the yeast cell surface as a mechanism for trapping pathogenic bacteria by Saccharomyces probiotics. J Med Microbiol, 61(Pt 9): 1194–1207160;

PMID

33 Trevisi P, Priori  D, Gandolfi G ,  Colombo M ,  Coloretti F ,  Goossens T ,  Bosi P (2012). In vitro test on the ability of a yeast cell wall based product to inhibit the Escherichia coli F4ac adhesion on the brush border of porcine intestinal villi1. J Anim Sci, 90: 275

34 Varelas V, Liouni  M, Calokerinos A C ,  Nerantzis E T  (2016). An evaluation study of different methods for the production of -D-glucan from yeast biomass. Drug Test Anal, 8(1): 46–55

PMID

35 Vesterlund S, Paltta  J, Karp M ,  Ouwehand A C  (2005). Measurement of bacterial adhesion-in vitro evaluation of different methods. J Microbiol Methods, 60(2): 225–233160;

PMID

36 Vieira L Q, dos Santos  L M, Neumann  E, da Silva A P ,  Moura L N ,  Nicoli J R  (2008). Probiotics protect mice against experimental infections. J Clin Gastroenterol, 42(Suppl 3 Pt 2): S168–S169160;

PMID